JP2010106512A - 作業機械の旋回制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の変動によるものを含めてエンジン回転速度の変化を正確にとらえ、旋回速度に正確に反映させて併用ショベルの操作性を改善する。
【解決手段】エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって油圧アクチュエータを駆動する一方、旋回体を旋回電動機で旋回駆動する併用ショベルにおいて、エンジンの実際の回転速度を検出し、検出されたこの実エンジン回転速度にローパスフィルタ処理を施した上で、旋回電動機の回転速度を、実エンジン回転速度の低下に対して旋回速度が低下する方向に制御するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は油圧アクチュエータによる油圧動作と、電動機による旋回動作を併用する油圧／電気併用式の作業機械の旋回制御装置に関するものである。

ショベルを例にとって背景技術を説明する。

ショベルは、図４に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸Ｏまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に、ブーム３、アーム４、バケット５及びブーム用、アーム用、バケット用各シリンダ６，７，８を備えた掘削アタッチメントＡが装着されて構成される。

このショベルにおいて、エンジン駆動の油圧ポンプからの圧油で油圧アクチュエータを作動させることによって全ての動作を行わせる全油圧駆動方式に代えて、特許文献１に示されるように、旋回動作を電動機（旋回電動機）によって行わせ、他の動作はこれまで通り油圧ポンプで駆動される油圧アクチュエータによって行わせる油圧／電気併用方式が提案されている。以下、必要に応じて全油圧駆動方式をとるショベルを全油圧ショベル、併用方式をとるショベルを併用ショベルという。

この併用ショベルでは、旋回動作が電動機で独立して行われ、エンジン回転速度に影響されることがないため、全油圧ショベルと異なった動きが発生する。

すなわち、全油圧ショベルの場合、エンジン回転速度は負荷の変動に応じて、大負荷で低下する方向に変化する。そして、このエンジン回転速度の変化によってポンプ吐出量が変化し、旋回モータ（油圧モータ）の回転速度が変化して旋回速度が変わる。

また、旋回と他の動作を同時に行う複合操作時には、エンジン回転速度の変化によって旋回速度とともに他の動作の速度も変わる。

これらによってオペレータは負荷の変動を感知し、アクセル操作量や旋回操作量の調整等に反映させる。

これに対し併用ショベルでは、旋回速度は旋回操作量のみに依存し、旋回操作量が一定であれば負荷の変動によるエンジン回転速度の変化と無関係に旋回速度が一定のままとなる。

このため、全油圧ショベルの動きに慣れたオペレータにとって、エンジン回転速度の変化が旋回速度の変化として表れない併用ショベルでは、動きに違和感があるとともに、負荷変動を旋回操作等に反映できず、この点で操作性が悪いという問題があった。

一方、特許文献１には、燃料ダイヤルの設定状態や、モード切換スイッチによって選択されたモード状態、複合操作時の作業機レバーの操作量によってエンジン回転速度が変化するのに対して旋回速度が変化しないため違和感があるという問題に対し、上記燃料ダイヤルの設定状態等の少なくともいずれか一つに応じて旋回速度を変える技術が開示されている。
ＷＯ ２００６／００４０８０号公報

しかし、上記のように燃料ダイヤルの設定状態、モード状態、作業機レバー操作量の三者に応じて旋回速度を変える公知技術によると、負荷の変動によるエンジン回転速度の変化に対して旋回速度はまったく変化しない。

このため、負荷の変動による他の動きに旋回だけが追従できない点、及び負荷変動を旋回操作等に反映できない点で、依然として操作性の問題を解決できない。

また、そもそも併用ショベルにおける操作性の問題は、エンジン回転速度の変化を正確にとらえられないことで生じる。

この点、上記公知技術では、エンジン回転速度に影響を与える三つの要因の変化状態を検出してエンジン回転速度の変化を『推量』するものであるため、エンジン回転速度の変化を必ずしも正確にとらえられず、このため旋回速度に的確に反映できないという基本的な問題があった。

そこで本発明は、負荷の変動によるものを含めてエンジン回転速度の変化を正確にとらえ、旋回速度に正確に反映させて併用ショベルの操作性を改善することができる作業機械の旋回制御装置を提供するものである。

請求項１の発明は、エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって油圧アクチュエータを駆動する一方、旋回体を旋回電動機で旋回駆動する作業機械の旋回制御装置において、上記エンジンの実際の回転速度である実エンジン回転速度を検出するエンジン回転速度検出手段と、制御手段とを備え、この制御手段は、上記実エンジン回転速度に応じて上記旋回電動機の回転速度を、実エンジン回転速度の低下に対して旋回速度が低下する方向に制御するように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、エンジン回転速度検出手段によって検出された実エンジン回転速度にローパスフィルタ処理を施し、この処理後の値に基づいて旋回電動機の速度制御を行うように構成されたものである。

本発明によると、間接要因からエンジン回転速度を推量するのではなく、実際のエンジン回転速度を検出し、この実エンジン回転速度に応じて旋回速度を制御するため、負荷の変動による場合を含めて、種々の要因によるエンジン回転速度の変化を正確にとらえ、これを旋回速度の変化に的確に反映させることができる。

このため、併用ショベルの操作性を真に改善することができる。

ところで、エンジン回転速度は、実際には様々な原因から脈動分（高周波分）を含んでいるため、検出値をそのまま用いるとハンチング等の制御障害が発生し、制御が不安定となる。これは実エンジン回転速度を用いることの弊害ともいえる。

この点、請求項２の発明によると、エンジン回転速度検出手段によって検出された実エンジン回転速度に移動平均処理等のローパスフィルタ処理を施し、処理後の値に基づいて旋回速度制御を行うため、脈動分を除去して安定した旋回制御を行うことができる。

本発明の実施形態を図１〜図３によって説明する。

図１に実施形態にかかる旋回制御装置の全体構成を示す。

まず、駆動系を説明すると、エンジン１１の動力が動力分配装置１２を介して油圧ポンプ１３と発電電動機１４に加えられる。

油圧ポンプ１３にはコントロールバルブ１５を介して図４のブームシリンダ６ほかの油圧アクチュエータ（一括して符号１６を付している）が接続され、これらが油圧ポンプ１３からの圧油によって駆動される。

発電電動機１４からの電力は、発電電動機用及び旋回電動機用の両インバータ１７,１８を介して旋回電動機１９に送られ、この旋回電動機１９の回転力が旋回減速機構２０を介して上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が図４の縦軸Ｏまわりに旋回する。

両インバータ１７,１８間にはバッテリ２１が設けられ、このバッテリ２１が発電電動機１４と組み合わされて旋回電動機１９の電源として使用される。

旋回電動機１９の回転速度（＝旋回速度）はエンコーダ等の電動機速度検出手段２２によって検出され、この検出された電動機速度が制御手段としてのコントローラ２３に入力される。

また、操作設備として、エンジン１１への燃料供給量を設定するアクセル２４と、旋回操作手段である旋回操作レバー２５とが設けられている。

このうちアクセル操作量はエンジン回転速度設定手段２６に入力され、このアクセル操作量に応じてエンジン回転速度が、大アクセル操作量で高速となる方向に設定され、エンジン１１がこの設定速度で回転する。

このエンジン１１の回転速度（実エンジン回転速度）は、エンジン回転速度検出手段２７によって検出され、検出された実エンジン回転速度がローパスフィルタ２８によりローパスフィルタ処理（たとえば移動平均処理）を施されて脈動分（高周波分）を除去された上でコントローラ２３に入力される。

一方、旋回操作レバー２５の操作量（旋回操作量）はコントローラ２３に入力され、この旋回操作量に基づいて旋回速度制御が行われる。

詳述すると、コントローラ２３は旋回速度指令値生成手段２９と、速度制御手段３０と、トルク（電流）制御手段３１とを具備している。

旋回速度指令値生成手段２９は、図２のマップ（旋回操作量の増加に応じて目標旋回速度が増加する）に基づいて旋回操作量から目標旋回速度を演算するとともに、ローパスフィルタ２８経由で入力された実エンジン回転速度から図３のマップ（エンジン回転速度の増加に応じて目標速度ゲインが増加する）に基づいて目標速度ゲインを求め、次式により目標旋回速度２を算出する。

目標旋回速度２＝目標旋回速度×目標速度ゲイン
そして、算出された目標旋回速度２に基づいて台形加減速処理等により速度指令値を求める。

速度制御手段３０は、この速度指令値と、電動機速度検出手段２２によって検出された旋回電動機１９の回転速度（＝旋回速度）からＰＩＤ制御等により目標旋回速度となるようなトルク指令値を算出する。

トルク（電流）制御手段３１は、旋回電動機１９のトルクが上記トルク指令値と一致するようにインバータ１８を介して旋回電動機１９のトルク（電流）を制御する。

こうして、基本的には旋回操作量によって決まる旋回速度を、負荷変動等によって変化する実エンジン回転速度に応じて、実エンジン回転速度の低下に対して旋回速度が低下する方向に制御することができる。

この制御装置によると、公知技術のようにモード状態等の間接要因からエンジン回転速度を推量するのではなく、エンジン回転速度検出手段２７によって実際のエンジン回転速度を検出し、この実エンジン回転速度に応じて旋回速度を制御するため、負荷の変動による場合を含めて、種々の要因によるエンジン回転速度の変化を正確にとらえ、これを旋回速度の変化に的確に反映させることができる。

このため、併用ショベルの操作性を真に改善することができる。

また、エンジン回転速度検出手段２７によって検出された実エンジン回転速度に移動平均処理等のローパスフィルタ処理を施し、処理後の値に基づいて旋回速度制御を行うため、検出値をそのまま用いる場合と比較して、脈動分を除去して安定した旋回制御を行うことができる。

ところで、本発明はショベルに限らず、ショベルを母体として構成される破砕機や解体機、溝掘り掘削機等の電動旋回式をとる作業機械に広く適用することができる。

本発明の実施形態にかかる制御装置の全体構成を示すブロック図である。 同装置による旋回操作量と目標旋回速度の関係を示す図である。 同装置による実エンジン回転速度と目標速度ゲインの関係を示す図である。 本発明の適用対象であるショベルの概略側面図である。

符号の説明

２ 旋回体
１１ エンジン
１３ 油圧ポンプ
１４ 発電電動機
１９ 旋回電動機
２０ 旋回減速機構
２１ バッテリ
２２ 電動機速度検出手段
２３ 制御手段としてのコントローラ
２５ 旋回操作レバー
２７ エンジン回転速度検出手段
２８ ローパスフィルタ
２９ コントローラの旋回速度指令値生成手段
３０ 同速度制御手段
３１ トルク（電流）制御手段

Claims (2)

1. エンジンを動力源とする油圧ポンプからの圧油によって油圧アクチュエータを駆動する一方、旋回体を旋回電動機で旋回駆動する作業機械の旋回制御装置において、上記エンジンの実際の回転速度である実エンジン回転速度を検出するエンジン回転速度検出手段と、制御手段とを備え、この制御手段は、上記実エンジン回転速度に応じて上記旋回電動機の回転速度を、実エンジン回転速度の低下に対して旋回速度が低下する方向に制御するように構成されたことを特徴とする作業機械の旋回制御装置。
2. エンジン回転速度検出手段によって検出された実エンジン回転速度にローパスフィルタ処理を施し、この処理後の値に基づいて旋回電動機の速度制御を行うように構成されたことを特徴とする請求項１記載の作業機械の旋回制御装置。

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